[논문 리뷰] Structural break models of climatic regime-shifts: claims and forecasts

David Stockwell, Anthony Cox|ArXiv.org|2009. 07. 09.

Climate variability and models참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 글로벌 및 호주 기상 데이터에서 기후 제도 이행에 대한 주장을 평가하기 위해 구조적 변화를 위한 초우 테스트를 사용한다. 연구는 글로벌 기온과 호주 기온에서 1978년, 호주 강수량에서 1982년에 유의미한 변화점이 있음을 확인하며, 자연적인 해양 제도 이행—특히 1976–1979년 태평양 감쇠 진동 전환—이 관측된 난방의 대부분을 설명하며, 인간 활동에 의한 지구온난화 속도를 0.05°C/십년으로 감소시킨다는 가설을 지지한다.

ABSTRACT

A Chow test for structural breaks in the surface temperature series is used to investigate two common claims about global warming. Quirk (2009) proposed that the increase in Australian temperature from 1910 to the present was largely confined to a regime-shift in the Pacific Decadal Oscillation (PDO) between 1976 and 1979. The test finds a step change in both Australian and global temperature trends in 1978 (HadCRU3GL), and in Australian rainfall in 1982 with flat temperatures before and after. Easterling & Wehner (2009) claimed that singling out the apparent flatness in global temperature since 1997 is 'cherry picking' to reinforce an arbitrary point of view. On the contrary, we find evidence for a significant change in the temperature series around 1997, corroborated with evidence of a coincident oceanographic regime-shift. We use the trends between these significant change points to generate a forecast of future global temperature under specific assumptions.

연구 동기 및 목표

• 글로벌 및 호주 기후 데이터에서 주장된 제도 이행의 통계적 유의성을 시험하기 위해.
• 1997년 이후 관측된 평탄한 기온 추세가 통계적으로 타당한지 또는 '선택적 데이터 사용'에 의한 것인지 평가하기 위해.
• 선형 추세 모델과 비교하여 구조적 변화 모델이 글로벌 및 지역 기온 시계열에 더 잘 맞는지 평가하기 위해.
• 구조적 변화 가정 하에 향후 지구 기온을 예측하여 인간 활동에 의한 난방과 자연적 변동성을 구분하기 위해.
• 특히 태평양 감쇠 진동(PDO) 및 관련 해양학적 변화가 지구 기온 추세를 조절하는 데 어떤 역할을 하는지 검토하기 위해.

제안 방법

• 연간 기온 및 강수량 이상치 시계열에서의 구조적 변화를 탐지하기 위해 초우 검정(F-검정 통계량)을 적용한다.
• 모든 잠재적 변화점에서 F-통계량을 계산하기 위해 R 패키지 'strucchange'를 사용한다.
• 1910–2008년 기간 동안 헤드크루3글(HadCRU3GL)의 월별 기온 이상치와 호주 기상국(BoM)의 호주 기온 및 강수량 데이터를 분석한다.
• 식별된 변화점 주변에서 시계열을 분할하여 변화 후 추세를 추정하기 위해 선형 추세를 구분한다.
• 해양학적 증거(예: 열대 해역 상승 현상 변화, 해면수온 이상치, 수량 이송 변화 등)를 통합하여 변화 시점의 타당성을 뒷받침한다.
• 지속적인 인간 활동에 의한 지구온난화와 새로운 제도 이행이 없을 것이라는 가정 하에, 변화 후 추세를 연장하여 향후 지구 기온을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 호주의 기온에서 주장된 1976–1979년 제도 이행이 구조적 변화 분석에 따라 통계적으로 유의미한가?
• RQ2 1997년 이후 관측된 평탄한 지구 기온 추세는 통계적으로 중요한 변화점인지, 아니면 '선택적 데이터 사용'의 결과인가?
• RQ3 태평양 감쇠 진동 전환과 같은 해양학적 제도 이행이 관측된 기온 추세를 어느 정도 설명하는가?
• RQ4 구조적 변화를 고려할 경우 인간 활동에 의한 지구온난화 속도가 선형 추세를 가정할 때와 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ5 선형 추세 모델 대신 구조적 변화 모델을 사용할 경우 향후 기후 예측에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 글로벌 표면 기온 추세에서 1978년(HadCRU3GL)에 유의미한 구조적 변화가 확인되었으며, 변화 전 추세에서 변화 후 더 급격한 추세로 기울기가 변화하였다.
• 호주 강수량에서 1982년에 유의미한 구조적 변화가 확인되었으며, 변화 전후 모두 평탄한 기온 추세를 보여, 이는 기온이 아닌 강수량에서의 제도 이행을 시사한다.
• 1978년 제도 이행를 고려할 경우 인간 활동에 의한 난방 속도가 약 ~0.14°C/십년에서 약 ~0.05°C/십년으로 감소하여 자연적 변동성이 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 1997년 변화점은 통계적으로 유의미하며, 1997년 이후 평탄한 기온 추세가 임의적이지 않고 실제 기후 제도 이행을 반영한다는 주장을 지지한다.
• 해양학적 증거—예를 들어 열대 해역 상승 현상 감소, 수량 이송 변화, 해면수온 변화 등—은 1976–1979년 제도 이행 시점과 일치함을 확인한다.
• 구조적 변화 모델을 기반으로 한 예측은 2050년까지 근사적으로 안정된 지구 기온을 보여주며, 2100년까지 현재 수준보다 약 0.2°C 상승할 것으로 예측한다. 이는 지속적인 인간 활동에 의한 지구온난화와 새로운 제도 이행이 없을 것이라는 가정 하에 성립한다.